DE1500459A1

DE1500459A1 - Elektrohydraulisches Servostellsystem

Info

Publication number: DE1500459A1
Application number: DE19651500459
Authority: DE
Inventors: Asche Clarence Wilbur
Original assignee: North American Aviation Corp
Current assignee: North American Aviation Corp
Priority date: 1964-09-28
Filing date: 1965-09-28
Publication date: 1970-06-18
Also published as: US3279323A; GB1119556A; NL6512547A; BE670086A

Description

München, den^Ä.(1.1969

Patentanwälte

Dr.-Ing. hl A NS RUSCHKE ^{P 15 00 459}·⁸

Vipl-lng. ΗΪΝΖ AGlJlAH Unser Zeichen: N 386

8 München SO, Pienzenauerstr. 2

North American Aviation, Inc. El Segundo, California (V.St.A.)

Elektrohydraulisches Servostellsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrohydraulisches Servostellsystem mit einer Eingangssteuerklemme, einer Vielzahl in Kaskade geschalteten Betätigungskanälen, einem Ausgangsteil, der mittels einer Betätigungsvorrichtung ansprechend auf ein Strömungsmedium betrieben ist, und mit einer Rückkopplungsanordnung zum Regeln der durch jeden Betätigungskanal fliessenden Menge des Strömungsmediums.

Bei dem Bau und dem Betrieb von elektrohydraulischen Servos tellsystemen ist eine Hauptquelle der Unzuverlässigkeit das elektrische Signalnetz einschließlich des elektro- ° hydraulischen Steuerventils» die verwendet werden, um

α, den Flüssigkeitszufluß zu dem hydraulischen Servomotor cn zu steuern.

Tl Das System, nach der USA-Patentschrift 3.070.071 enthält

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ein ausdehnbares Verbindungsglied mit einer Mehrzahl von Betätigungseinriehtungen oder Servomotoren, die mechanisch in Tandemart verbunden sind und gemeinsam auf ein Eingangssignal ansprechen, wobei das Versagen eines Motors den Stellbereich und den Wirkungsgrad des Gesamtsystems vermindert. Ein anderes System, wie im USA-Patent 3.095.78 3 beschrieben, benutzt eine Vielzahl von Betätigungseinriehtungen, die mechanisch mit einem Stellglied verbunden sind, wobei der getrennte Signalkanal für jede Betätigungseinrichtung einen elektromechanischen Wandler umfaßt, um ein negatives Rückkopplungsstellsignal für diesen Signalkanal zu erzeugen. Falls der Signalkanal für einen der drei Betätigungsvorrichtungen schlecht funktioniert, müssen die anderen beiden Betätigungseinriehtungen in der Lage sein, mehr Leistung aufzubringen. Daher muß die Kraftzumessung einer jeden Betätigungsvorrichtung 150 % der Nennkraftzumessung betragen und die kombinierte Kraftzumessung der drei Einheiten beläuft sich daher auf 450 %. Zusätzlich muß zu der erhöhten Kraftzumessung der Betätigungseinrichtungsgruppe die dazugehörige unter Druck stehende hydraulische Kraftquelle (Pumpe usw) entsprechend verstärkt werden. Eine Anordnung, die überzählige und überdimensionierte 'Betätigungseinrichtungen im Zusammenwirken mit überzähligen elektrischen Signalkanälen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit erfordert, bringt daher beträchtliche Nachteile mit eich, da sie vergröseertes Gewicht der Betätigungseinrichtungsgruppe» sowie mehr Kosten und Platzbedarf erfordert» ^i^s^PfjSf9 f^uv ^e*ⁿ einsiger Servokanal

ORIGINAL INSPECTED

mit einem Ventil und einem Stellglied verwendet, wie bei der Anordnung nach der deutschen Auslegeschrift 1 007 625 vorgesehen, so bringt der Ausfall nur eines Servobauteiles mit sich, daß die gesamte Anlage funktionsunfähig wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrohydraulisches ServostellBystem zu schaffen, das die genannten Nachteile des erhöhten Gewichtes, der Kosten, sowie des Platz- und Kraftbedarfes vermeidet, ohne die Zuverlässigkeit des Betriebs zu gefährden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die genannte Betätigungsvorrichtung aus einem einzigen zum Betreiben des Ausgangsteils, ansprechend auf die Anwendung eines gesteuerten Flüssigkeitsstromes, angeordneten hydraulischen Motor besteht und daß wenigstens drei Betätigungskanäle vorgesehen sind, von denen jeder einen Stellungsabtaster einschließt, der gemeinsam mit dem genannten Motor zusammenwirkt, um Signale zu erzeugen, die die angetriebene Stellung des Ausgangsteils mit bezug auf den Motor anzeigen, daß ein Summierverstärker vorgesehen ist, dessen erste Eingangsklemme gemeinsam ununterbrochen mit der genannten Eingangsklemme verbunden ist und von dem eine zweite Eingangsklemme ununterbrochen mit dem Ausgang des Stellungsabtasters für diesen Kanal verbunden ist, und daß ein Proportionalströmungs· steuerventil vorhanden ist, das ständig ansprechend in elektrischer Schaltung mit dem Ausgang des Summierverstärkers für diesen Kanal verbunden ist, wobei das System weiterhin

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gekennzeichnet ist durch einen Krümmerblock, der die drei Steuerventile befestigt und gemeinsam entsprechende öffnungen der Steuerventile im Flüssigkeitskreis verbindet, 'am den genannten Hydraulikmotor in Obere ins timmung mit dem kombinierten Flüssigkeitsstrom von den Ventilen proportional zu steuern, wobei der Krümmerblock eine Klemmenseite hat, die dichtend an ein Hauptgehäuse des Motors stößt und Hohlräume zum dichtenden Installieren der Ventile in wechselseitig getrennter Parallelbeziehung und Seite an Seite, wobei entsprechende öffnungen der Ventile in eiiiar* gemeine amen Querschnittebene des Krümmerblockes liegen₅ wobei der genannte Block eine ringförmige Nut in jedem Kohlraum an jeder Seite der Querschnittebenen und radial dax^in von den Nuten verlaufende Durchgänge hat, wobei die Durchgänge in einer gegebenen Querschnittebene an einem Schnittpunkt einer Reihe von Durchgängen enden, um eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Nuten der genannten Ebene zu ermöglichen, wobei der Block weiterhin eine gleiche Anzahl von getrennten öffnungen hat, die in der Klemmenseite des Blockes liegen und sich senkrecht zu dieser Seite erstrecken, wobei jede öffnung an einem Schnittpunkt mit einem der sich gegenseitig anschliessenden, sich schneidenden Durchgänge der genannten Reihen endet.

Diese Ausbildung des Servosystems hat den Vorteil, daß bei ungefährdeter Betriebsbereitschaft und Zuverlässigkeit gegenüber den bekannten Systemen Gewichts- und Kosteneinsparungen sowie verminderter Platzbedarf vorhanden sind.

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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ist ein funktionelles Blockdiagr-amm eines Systems, das die Erfindung verwendet;

Fig» 2 ist eine, schematische Anordnung d-?s V-y'rdulischen Kreislaufs für die Vorrichtung nach Fig. 1, worin das Zusammenwirken zwischen der hydraulischen 2u~ sairiTuenfassungseinrichtung und dem hydraulischen Motor für eine Dreiwegeventilanordnung dargestellt wird;

Fig. 3 ist eine isometrische teilweise weggebrochene Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsforrn der Erfindung;

Fig« 4 ist eine isometrische teilweise weggebrochene Zeichnung des Krümmerblockes der Vorrichtung nach Fig. 3,

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Einzelteile.

In Fig» 1 ist ein funktionelles Bausteinschaltbild eines Servosystems nach der Erfindung gezeigt. Es wird ein elektrohydraulisches Servosystem mit einer elektrischen Eingangssteuerklemme 10 und einem mechanischen Ausgangsteil 11 gezeigt. Weiterhin sind drei unabhängige Signalkanäle 12, und 14 für die Übertragung von Signalen von der Eingangssteuerklemme 10 vorgesehen, wobei jeder Kanal ein elektrohy-

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draulisches Durchflußsteuerungsventil 15 hat, das so beschaffen ist, daß es arbeitend mit einer gemeinsamen Quelle unter Druck stehender hydraulischer Flüssigkeit ver-bunden ist und ansprechend im Kreislauf mit der Eingangsklemme 10 verbunden. Es ist auch ein hydraulischer Motor 16 vorgesehen, der antreibend mit dem Ausgangsteil 11 verbunden ist. Die Flüssigkeitszusammenfassungseinrichtung 17 kuppelt den hydraulischen Motor 16 im Flüssigkeitskreislauf mit den Ventilen 15a, 15b und 15c, um dem hydraulischen Motor 16 Flüssigkeit zuzuleiten. Stellungswandler 18, 19 und 20, die gemeinsam auf die Bewegung des Auslaföteiles ansprechen, schaffen negative Rückkopp-Itingsstellungssignale für entsprechende Signale der Signalkanäle 12-, 13 und 14.,

eder der Sigualkanäle 12, 13 und Ik weist weiterhin eine Signalzusammenfassungseinrichtung 21 auf, wie etwa einen Signaljmsammenfassungsverstärker, der so angeordnet ist, daß er das gemeinsame Eingangssignal (angewendet auf die gemeinsame Eingangsklemme 10) und das negative Rückkopplungssignal von einem gegenseitig ausschliessenden der Stellungswandler 18, 19 und 20 kombiniert. Falls ein Wechselstromeingangssignalsystem verwendet wird und die Wandler 18, 19 und 20 Wechselstromwandler sind, haben die Zusammenfassungsverstärker 21a, 21b und 21c weiterhin phasenempfindliche Demodulierungseinrichtungen, um die zusammengefaßten Signale in Gleichstromsignale umzuwandeln, die sich aur Verwendung durch die elektrohydrauli-

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schen Ventile 15a, 15b und 15c eignen. Die 'lauwr-JGt· und Anordnung der Verstärker 21a,21b und 21c sind .1er. Fachleuten wohl bekannt und sie sind daher lediriici; :.:\ Blockform oder symbolischer Form gezeigt,

Im normalen Betrieb der Anordnung nach Fig. l veranlassen Eingangs signale, die auf die Eingangsklenyiie 10 zur Einwirkung gebracht werden, jedes der Durchflußventile 15a, 15b und 15c einen gesteuerten Flüssigkeitsstrom von gleichem Sinn oder Richtung zu schaffen im iUuiprechen auf Eingangssignale, die der Eingangsklemme XO zigeleitet werden. Der Flüssigkeitsstrom wird am Krümmer 17 kombiniert und dem hydraulischen Motor 16 zugeführt zur Betätigung des Ausgangsteiles 11 in einer ausgewählten Richtung, die der Richtung des gesteuerten Flüssigkeitsstromes entspricht. Die Stellungswandler 18, 19 und 20 erzeugen im Ansprechen auf die Bewegung des Ausgangsteiles 11 Stellungsrückkopplungssignale, die die Stellung des Ausgangsteiles 11 anzeigen und einer von einer Richtung, die der der Eingangssignale entgegengesetzt liegt, die auf die Endklemme 10 zur Einwirkung gebracht werden. Die Stellungsrückkopplungssignale von jedem Wandler werden zum Eingang eines dazugehörigen der Zusaininenfassungsverstärker zurückgeleitet. Jeder der Zusammenfassungaverstärker 21a, 21b und 21c sprechen auf die algebraische Summe von oder den Amplitudenunterschied zwischen den beiden Eingängen dazu an, um einen Flüssigkeitsstrom von dem entsprechenden Durchflußventil 15 zum hydraulischen

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Motor 16 einer solchen Richtung zu erzeugen, um den Ausgangsteil 11 zu veranlassen, sich in einer Richtung zu bewegen, die das Bestreben hat, den Amplitudenunterschied auf null zu verringern, wie das bei der Technik der negativen Rückkopplungskontrollsysteme klar ist. Wenn die Ausgänge von jedem der Wandler 18, 19 und 20 den zur Einwirkung gebrachten Eingang von der Klemme gleich und entgegengesetzt sind, dann ist der sich ergebende Strom, der von den dazugehörigen Steuerventilen geschaffen wird, gleich null. Wenn der kombinierte Strom zum Motor 16 gestoppt wird, hält der Motor den Ausgangsteil in einer Stellung, die der Richtung und der Amplitude des auf die Klemme 10 zur Anwendung gebrachten Signals entspricht, wobei das System entsprechende Stellungsveränderungen im Ausgangsteil 11 zu darauffolgenden Veränderungen im Eingangssignal erzeugt.

Für den Fall der unrichtigen Funktion eines Kanales, wie etwa dem Versagen eines Steuerventils oder eines Rückkopplungswandlers oder Verstärkers arbeitet das System dennoch weiter, als eine Stellungsservoeinrichtung zu funktionieren. Wenn beispielsweise entweder der eine oder beide Verstärker 21a und das Ventil 15a so ausfallen sollten, daß ein Ausgang null geliefert wird, wür den die verbleibenden Verstärker 21b und 21c weiterhin die dazugehörigen Ventile ISb und 15c steuern, um einen gesteuerten FlÜssigkeitsstrom 2um hydraulischen Motor 16 zu liefern in Übereinstimmung mit dem Amplitudenun-009Ö25/ÜU2

terschied zwischen den negativen Rückkopplungsstellungssignalen und einem Eingangssignal, das auf die Eingangsklemme 10 zur Einwirkung gebracht wird. In anderen Worten arbeitet das System als Stellungsservoeinrichtung weiter, falls ein Nullsignalversagen in einer der Vorwärtssteuerschlaufen auftritt ohne Veränderung entweder in der geschlossenen Schlaufenverstärkung (Ausgangsverschiebung je Volt Eingang) oder Servokaft (maximal erreichbare Verschiebung). In der Tat arbeitet das System so weiter im Falle von Nullsignalversagen in allen, mit Ausnahme einer der Vorwärtsschlaufen, so lang als eine verbleibende Schlaufe voll arbeitet.

Eine andere Art des Versagens, die vorkommen kann, ist ein sogenanntes "knapp darüber" (hard over) Versagen, wobei ein Maximumsignal in der Vorwärtsschlaufe vorgesehen wird, was zu einem Vorspannungsstrom oder Maximumstrom einer gewählten Richtung von etwa dem Ventil 15a stammt. Solch ein Versagen kann eintreten infolge einer besonderen Art des Versagens im Ventil 15a selbst oder infolge des öffnens eines Rückkopplungswiderstandes in einer Rückkopplungsstufe des Verstärkers 21a in Anwesenheit eines kleinen aber bestimmten Eingangs oder infolge des Versagens eines Stellungswandlers 18 in Anwesenheit eines bestimmten Eingangssignals (eines anderen als null) an der Klemme 10. In solch einem Falle erzeugt die sich ergebende Bewegung des Ausgangsteiles 11, die durch den

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Vorspannungsfluß vom Ventil 15a erzeugt wird, Stellungsfehlersignale an den Ausgängen entsprechender Verstärker 21b und 21c (sowie auch Verstärker 21a). Solche Stellungsfehlersignale oder Strömungssteuerungssignale werden den Ventilen 15b und 15c zugeleitet, die einen gesteuerten Flüssigkeitsstrom schaffen, der mit dem Vorspannungsstrom von dem schlecht funktionierenden Ventil 15a mit Hilfe des Durchflußkombinierungskrümmers kombiniert wird, um auf diese Art und Weise diesen Voüpannungsstrom auszugleichen und den Motor 16 zu veranlassen, den Ausgangsteil 11 in die richtige Stellung zu treiben. Im festen Zustand schaffen die beiden voll arbeitenden Ventile 15b und 15c einen kombinierten Ausgleichsstrom, der genau die Richtung und Grosse des Vorspannungsstromes vom Ventil 15a ausgleicht- Mit diesem Ausgleichsdurchflußzustand oder Null-Nettostrom ist ein kleiner Verschiebungsfehler in der Stellung des Ausgangsteiles 11 im Verhältnis zu der gewünschten Stellung im Zusammenhang, vodurch eine Festzustandsfehlerspannung an den entsprechenden Ausgängen der Verstarker 21b und 21c erzeugt wird, die genügt, um eine Hälfte der erforderlichen Ausgleichsdurchflußgeschwindigkeit an jedem der Ventile 15b und 15c zu schaffen. Dieser Festzustandsstellungsfehler ist normalerweise vernachlässigenswert für gewöhnliche Systemverstärkungen. Weiterhin, und wo die Stellungsservoeinrichtung nach Fig, 1 in einem anderen (äusseren) geschlossenen Schiaufeneystem verwendet wird, wie etwa einem Flug-

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zeughöhensteuerungsgerät, kann die Wirkung eines solchen Stellungsfehlers auf die aussere Schlaufe vermieden werden durch Dazwischenschalten von Signalintegrierungsmitteln zwischen diese Quelle des zur Einwirkung gebrachten Eingangssignals (nicht gezeigt) und der Eingangsklemme 10, wie das in der Technik der Servosteuerung wohlbekannt ist.

Eine Ausführungsform des Gedankens nach Fig. 1, unter Verwendung von Dreiwege-Übertragungsventilen ist in Fig. 2 gezeigt.

In Fig. 2 ist eine schematische Anordnung einer Ausführungsart der Erfindung gezeigt. Es ist ein einzelner hydraulischer Motor 16 vorgesehen, der einen einzelnen Zylinder 25 aufweist, der so beschaffen ist, daß er mit e inem Träger verbunden werden kann und weiter ein einzelner beweglicher Kolben 26 in einem Zylinder 25, der mit einem einzelnen mechanischen Ausgangsteil 11 verbunden ist, der sich axial von einer ersten Seite des Kolbens 26 erstreckt. Diese Anordnung des Kolbens 26 schafft erste und zweite Kammern 27 und 28 im Zylinder 25 auf der ersten bzw. einer zweiten Seite des Kolbens 26, wobei der wirksame hydraulische Bereich der ersten Seite vorzugsweise eine Hälfte der der zweiten Seite ist aus Gründen, die nachstehend noch genauer erläutert werden.

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Es sind weiterhin mindestens drei elektrohydraulisch^ Dreiwege-Servoventile 15a, 15b und 15c vorgesehen, von denen jedes eine Druckeinlaßöffnung, eine gesteuerte Flußauslaßöffnung und eine Rücklaufdrucköffnung hat. Es ist weiterhin eine Eingangsendklemme 10 vorgesehen, erste, zweite und dritte Signalkanäle 12, 13 und IM·, ein Strömungszufassungskrüinmer 17 und erste, zweite und dritte Stellungswandler 18, 19 und 20, die alle so angeordnet sind, daß sie funktionell mit dem hydraulischen Motor 16 in gleicher Art und Weise zusammenarbeiten, wie die gleich bezeichneten Elemente nach Fig. 1.

Übertragungsventile 15a, 15b und 15c sind in gleicher Art und Weise gebaut und angeordnet und sind elektrohydraulische Dreiwege-Servoventile, wie etwa eine Type, die handelsüblich beispielsweise von der Moog Valve Co. aus Aurora, New York, zur Verfügung steht. Jedes der Ventile 15a, 15b und 15c in Fig. 2 hat eine Einlaßdrucköffnung, eine gesteuerte Strömungsauswärtsöffnung und eine Rücklaufdrucköffnung. Die Rücklaufdrucköffnungen sind so beschaffen, daß sie gewöhnlich mit der Rücklaufdruckseite P₇, einer (nicht gezeigten) Quelle von unter Druck stehender Hydraulischer Flüssigkeit verbunden sind. Der Krümmer 11 verbindet normalerweise die Auslaufsöffnungen der Ventile 15a„ ISb und 15c mit der zweiten Kammer 28 des hydraulischen Motors 16. Die zweite Kammer 27 des Motors und die Eingangsdr»iieköffnungen der Ventile 15a, 15b und 15c

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sind so beschaffen, daß sie gewöhnlich mit der Hochdruckzuleitungsseite P der (nicht gezeigten) Quelle einer unter Druck stehenden Flüssigkeit verbunden werden können.

Die Kenntnis der Arbeitsweise der drei Servoventile 15a, 15b und 15c ist nützlich für das Verständnis der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 2. Die Anordnung und der Betrieb der Ventile 15a, 15b und 15c ist ähnlich, so daß eine Erläuterung der Anordnung und des Betriebes des Ventiles 15c, wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, genügt.

Das Servoventil 15c besteht aus einem hydraulischen Stromkreislauf und einer magnetisch betätigten Einrichtung zum Steuern des hydraulischen Strömungskreislaufes. Der Flüssigkeitssteuerungskreislauf umfaßt eine Ventilspule 30, die gleitend in einem Ventilspulenzylinder 31 montiert ist und erste und zweite Endkolbenabschnitte 32 und 33 hat, die axial im Abstand von einem Mittelkolbenabschnitt 3H stehen und damit durch zwei Zwischenspulenabschnitte 35 und 36 verbunden sind, wodurch der· Zylinder 31 in zwei Endkammern 37 und 38 und zwei Zwischenkammern 39 und UO aufgeteilt ist. Die beiden Endkammern 37 und 38 und eine der Zwischenkammern 39 sind üblicherweise mit der Hochdruckseite P_ der (nicht gezeigten) Druckflüssigkeitsquelle verbunden, während die andere Zwischenkammer 40 eine öffnung zu der Rückdruckseite P der unter Druck ste-

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henden Flüssigkeitsquelle geöffnet ist. Es sind auch swei Pipetten oder Troddelöffnungen vorgesehen, von denen jede in Flussigkeitsverbindung mit der unter Druck stehenden Flüssigkeit einer sich gegenseitig ausschliessenden der Endkammern 37 und 38 des Ventilspulenzylinders steht und entgegengesetzt angeordnet im Verhältnis zu einem magnetisch betätigten Klappenventil ZL in einem Volumen, das im Flüssigkeitskreislauf mit der Druckrückleitung P in einer nicht gezeigten Art und Weise verbunden ist« Eine mechanische Rückleitung ist zwischen der Spule und dem Klappenventil mit Hilfe der Zwischenschaltung einer feinen Feder vorgesehen, die schematisch als Element 42 angedeutet ist.

Wenn das Klappenventil41 sich in Ruhe befindet (oder nicht betätigt ist), wird die Ventilspule 30 in der illustrierten Mittelstellung des Ventilspulenzylinders durch das Rückkopplungselement 42 gehalten und der Mittelzylinderabschnitt 34 blockiert den ringförmigen gesteuerten Flüssigkeitsauslaß. Die gleichen und entgegengesetzt wirkenden Drücke, die auf die symmetrischen hydraulischen Bereiche der Kolbenbereiche der Spule ausgeübt* werden , Üben eine Nettokraft von null aus, wobei die Spule in der Mittelstellung durch die Rückhaltewirkung der Rückkopplungsfeder 42 gehalten wird. In einem solchen Zustand der Ventilspule unterliegt das neutrale Durchl«öken oder der notwendige minimale Durchleckflufö von der Hochdruck-(P ) Zwischenkammer 39 zur Nieder-009825/0142

druckzwischenkammer (P_r) 40 zwei getrennten Druckabfällen: einem ( Δ P,) der von der Hochdruck (P_) Zwischenkammer-Öffnung 39 zu der gesteuerten Druck (P_c) Auslaßöffnung 43 führt und der anderen (^ P₂) beim Vorbeifliessen entlang der gesteuerten Druck (P_c) Auslaßöffnung 43 zur Niederdruck (P ) Zwischenkammer 40.

P₁ = P₃ - P_c (1)

(2)

In dem beschriebenen symmetrischen Zustand sind die bei· den Druckabfälle gleich:

P₂ <3)

Nun werden die Gleichungen 1 und 2 kombiniert und die Gleichung 3 substituiert:

Aufgelöst nach P,:
P-P

in dem die Gleichung 5 in die Gleichung 1 eingebaut und nach P_c aufgelöst wird ergibt sich:

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P₀ = P₃-^p₁ =

c ⁼

^pc ⁼ Τ*

Demgemäß ist für den unbetätigten Zustand eines jeden der Ventile 15a, 15b und 15c der gewöhnliche entsprechende STeuerdruck P , der auf die zweite Kammer 28 des hydraulischen Motors 16 zur Einwirkung gebracht wird eine Hälfte des Leitungsdruckes P_. Demgemäß ist die Kraft F , die auf die rechte Seite des Kolbens 26 des Motors 16 durch diesen Druck ausgeübt wird (wie in Fig. 2 dargestellt) gleich dem Produkt des Bereiches Aj der linken Seite des Kolbens 26 und dem darauf zur Einwirkung gebrachten Druck:

P A

r_r= -V (8)

Diese Kraft wird gerade durch die Kraft F₁ ausgeglichen, die auf die linke Seite auf den Kolben 26 (wie dargestellt) ausgeübt wird, die gleich dem Produkt des Systemdruckes P_ und des effektiven Bereiches Α_Λ der rechten Seite des Kolbens 26 ist.

F₁ = P₈A₁ (9)

nunmehr

A₂
A₁ = -f- (10)

^Ps^A

= F_r (11)

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Demgemäß sind im unbetätigten Zustand des Ventils (der Ventile) die Kräfte auf den Kolben 26 (des hydraulischen Motors 16) ausgeglichen und es ergibt sich keine Bewegung auf den Ausgangsteil 11.

Bei der Anwendung eines Erregungsstromes einer gewählten Richtung (vom Antriebsverstärker) zu der Wicklung, um das Klappenventil 41 erzeugt das Zusammenwirken des sich ergebenden elektromagnetischen Feldes mit den magnetischen Elementen N und S ein Drehmoment oder Moment, das das Klappenventil auf eine ausgewählte der Pipetten zu drückt und dadurch die Flüssigkeitsabgabe daraus drosselt. Diese Drosselung in der Pipettenabgabe bewirkt einen Druckaufbau in der dazugehörigen Endkammer des Druckventils und läßt dadurch die hydraulischen Kräfte auf die Ventilspule 30 ungleich werden. Diese Druckungleichheit oder Kraftunbalance verschiebt die Ventilspule im Verhältnis zu der ringförmigen Steuerdurchflußöffnung, was zu einer Veränderung des Steuerdruckes P führt. Diese Veränderung in dem Steuerdruck P wird durch einen Flüssigkeitsstrom in einer gewählten Richtung ausgedrückt (d.h. entweder in oder aus der Kammer 28 des Motors 16), was zu einer Bewegung des Bauteiles 11 in einer entsprechenden Richtung führt. Diese Bewegung setzt sich fort, bis das Stellungsrückkopplungssignal von einem dazugehörigen Stellungswandler von genügender Grosse ist, um sich einem zur Anwendung gebrachten Eingangssignal auf die Endklemme 10 entgegenzu-

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setzen, wodurch der Betätigungsstrom in der Klappenventilwicklung auf im wesentlichen null verringert wird. In solch einem nicht erregten Zustand kehrt das Klappenventil zu null zurück und die Folgefeder 42 bringt die Ventilspule in die neutrale Durchflußstellung zurück und stoppt dadurch sowohl die Betätigung des Motors 16 als auch die Bewegung des Ausgangsteiles 11.

Im normalen Betrieb der Anordnung nach Fig. 2 würden alle drei Ventile 15a, 15b und 15c gleichartig und synchron arbeiten. Sollte jedoch ein Versagen an dem Signalkanal auftreten, zu dem ein Ventil gehört, um so einen Fluß von gleich null daraus zu verursachen, würden die beiden anderen Ventile weiterarbeiten, um einen gesteuerten Flüssigkeitsstrom zu oder aus der Kammer 28 des Motors 16 zu schaffen, wie gefordert, in Obereinstimmung mit den Stellungsdifferenzsignaleingängen zu diesen Ventilen von den dazugehörigen der Treiberverstärker 21a, 21b und 21c. Falls jedoch das Versagen eines Signalkanales zu einem Vorspannungsfluß durch das dazugehörige Durchflußsteuerungsventil führen sollte, dann würden die Ventile der verbleibenden wirksamen Signalkanäle einen kombinierten Ausgleichsfluß schaffen, um sowohl diesen Vorspannungsfluß auszugleichen, als auch den Motor 16 in der gewünschten Richtung zu betätigen, in der gleichen Art und Weise wie im Zusammenhang mit der Anordnung nach Fig. 1 beschrieben.

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Sollte beispielsweise das Klappenelement 11 für das Ventil 15 nach links gedrückt-werden, wie in Fig. 2 dargestellt, würde das Drosseln der linken Pipette den sich ergebenden Druck in der linken Endkammer 37 des Ventilzylinders im Verhältnis zu dem der rechten Ventilkammer 3 8 erhöhen und würde dadurch die Ventilspu«le 30 veranlassen, sich nach rechts zu bewegen. Solch eine Bewegung nach rechts der Ventilspule 30 setzt die Steuerventilausgangsöffnung 43 der unter Druck stehenden Zwischenkammer 39 aus und erzeugt dadurch einen Flüssigkeitsstrom von der Öffnung "+3 zum Krümmer 17, der das Bestreben hätte, den Motorkolben 26 nach rechts zu betätigen. In Abwesenheit eines Steuersignales auf die Eingangsklemme 10, ist der einzige Eingang zu jedem der Antriebsverstärker, der zu den arbeitenden Ventilen gehört, das Stellungsrückkopplungssignal von den entsprechenden Stellungswandlern. Das Ansprechen der Arbeitsventile auf dieses Eingangssigni. schafft den kombinierten Strom, der notwendig ist, um die Bewegung des Motors 26 und des Bauteiles 11 (wie von den Wandlern festgestellt) zu verhindern. Daher ergibt sich in dem festen Zustand ein Flüssigkeitsstrom vom Krümmer 17 auf jedes der Arbeitsventile zu, wobei der kombinierte Strom gleich dem Strom von dem unter Druck stehenden Ventil ist. In anderen Worten wird der Ausgangsteil 11 leicht nach rechts aus der gewünschten oder Bezugsstellung in dem Ausmaß verschoben, wie das notwendig ist, um ein Steuersignal aus jedem der Antriebsverstärker 21 der arbeitenden Signalkanäle

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zu schaffen, was einen Ausgleichsstrom von entgegengesetzter Richtung schafft und von einer Hälfte der Grosse des Druckes für ein dazugehöriges Ventil.

Wenn wahlweise das Klappenelement Hl des unter Druck gesetzten Ventüs nach rechts gedrückt würde, drückt der sich ergebende grössere Druck in der rechten Endkammer 38 des Ventilspulenzylinders die Ventilspule 30 nach links (wie in Fig. 2 dargestellt) und gibt dadurch die Ausgangsöffnung U3 zur Druckrücklaufzwischenkammer UO frei, was zu einem Strömen vom Krümmer 17 auf die Steueröffnung 43 zu führt. Diese Druckströmung hat das Bestreben, den Kolben 26 nach links aus einer Bezugsstellung heraus zu betätigen, was zu einem Stellungsfehlersignal an den Ausgängen der Antriebsverstärker der Betriebssignalkanäle führt. Das Ansprechen der Betriebsventile auf dieses Fehlersignal schafft den kombinierten Fluß, der notwendig ist, um die Bewegung des Kolbens 26 zu verhüten. Daher ergibt sich im festen Zustand ein Flüssigkeitsstrom von jedem der beiden Betriebsventile zum Krümmer 17, wobei der kombinierte Strom dorthin gleich dem Strom vom Krümmer 17 zu dem unter Druck stehenden Ventil ist. In anderen Worten wird der Ausgangsteil 11 leicht nach links aus der gewünschten oder Referenzstellung verschoben und zwar in dem Ausmaß das notwendig ist_t um einen Ausgleichsstrom entgegengesetzter Richtung und von der halben Grosse des Druckes von jedem der beiden Arbeitsventile zu schaffen.

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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Teiles der schematischen Anordnung nach Fig. 2 ist im einzelnen in Fig. 3 und 4 gezeigt.

Unter Hinweis auf Fig. 3 und 4 ist dort eine isometrische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Betätigers dargestellt, der schematisch in Fig. 2 gezeigt ist, wobei die Elemente davon gleiche Bezugszeichen haben, wie in Fig. 2, was gleichen funktioneilen Elementen entspricht. Ein Hauptgehäuse 57 nimmt zusätzlich zum Einschliessen des hydraulischen Motorelementes 26 und den Kammern 27 und 28 auch die drei Stellungswandler 18, 3.9 und 20 der Fig. 2 auf, wovon einer teilweise in Fig. 3 weggebrochen gezeigt ist. Die drei Verschiebungswandler sind gegenseitig nahe aneinander und parallel mit der Längsachse des Motors (durch das Ausgangselement 11 dargestellt) eingebaut und mechanisch mit dem beweglichen Element 11 durch eine Kupplungseinrichtung 48 verbunden. Zur verbesserten Auflösung sind die Wandler vorzugsweise von einer Wechselstrominduktionsart mit einem magnetdurchlässigen zylindrischen Spulenkern 54 innerhalb eines Transformatorelementes 55 mit einer Primärwicklung und einer dazu konzentrischen Sekundärwicklung, wie im einzelnen im U.S,-Patent Hr. 3.136.224, erteilt am 9. Juni 1964 an A.S. Escobosa ausgestellt, beschrieben. Demgemäß würde das Gehäuse voraugaweise aus einem Material gebaut werden müssen, das eine niedrige magnetische Permeabilität (um die Arbeit der

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Wandler nicht zu stören) und hohe Widerstandsfähigkeit, (um die hohen hydraulischen Drücke auszuhalten, die üblicherweise auf den hydraulischen Motor zur Einwirkung gebracht werden) kombiniert. Solch ein typisches Material ist austenitischer rostfreier Stahl, Normtype 303.

Der Druckeinlaß (P_) und die hydraulischen Rückleitungs (P ) Fittings 60 und 61 sind in der Nähe des Hinterendes des Hauptgehäuses vorgesehen, wodurch die Vorrichtung arbeitsmässig mit einer Quelle von unter Druck stehender hydraulischer Flüssigkeit verbunden werden kann. Ein Druckleitungskrümmer 45 verbindet üblicherweise die Motorkammer 27 und einen Krümmerblock 47 mit einer Druckarmatur 60, während eine Steuerkrümmerleitung 17 die Motorkammer 28 mit dem Krümmerblock 47 verbindet. Eine Druckrückleitung 46 verbindet eine Rücklaufdruckarmatur 61 und den Krümmerblock 47. Wie in Fig. 4 gezeigt, hat der Krümmerblock 47 eine Endfläche 50, wobei mindestens ein Teil davon abdichtend am Hinterende des Hauptgehäuses 57 in Fig. 3 anschlägt.

Die hydraulischen Übertragungsventile 15a, 15b und 15c nach Fig. 2 sind vorzugsweise im Krümmerblock 47 der Vorrichtung nach Fig. 3 eingebaut, welcher KrümmerHLock im einzelnen besser in Fig. 4 gezeigt ist. Die handelsüblich zur Verfügung stehenden Arten von derartigen Dreiwege-Ventilen sind üblicherweise zylindrisch geformt, wobei die

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drei hydraulischen Teile .davon axial entlang dieser zylindrischen Oberfläche in einem Abstand voneinander liegen. Wenn daher die Ventile in dazu passenden Höhlungen 51a, 51b und 51c eingebaut werden, die dafür im Krümmerblock 47 vorgesehen sind, liegen entsprechende Öffnungen in der gleichen Quersenkrechtebene durch den Block 47, wie in Fig. 4 dargestellt. Beispielsweise liegen die Druckrückleitungsöffnungen (P_r) der drei Ventile in der senkrechten Ebene 49 parallel zur Endfläche 50 des Blockes 47, was in Fig. 4 durch teilweises Wegbrechen des Blockes 47 gezeigt ist. Wenn daher eine schmale ringförmige Nut oder Höhlung 52 in jeder der Ventilhöhlungen 51a, 51b und 51c in der Ebene 49 ausgedreht wird und eine versetzte Ausdrehung weiter in solchen radialen Richtungen, daß eine Verbindungshöhlung zwischen entsprechenden ringförmigen Höhlungen 52 geschaffen wird, wird eine Einrichtung geschaffen, die eine Flüssigkeitsverbindung zwischen entsprechenden Öffnungen der Öbertragungsventile gestattet. Wenn dann durch die Fläche 50 des Blockes 47 hindurchgebohrt wird, wird eine Öffnung 46 geschaffen, die so beschaffen sein kann, daß ,sie abdichtend mit der Druckrückleitung 46 zusammenpaßt und diese ergänzt, die in Fig.3 gezeigt ist.

In gleicher Art und Weise werden ein Steuerdruck CP_C)» Krümmer 17 und ein Zuleitungsdruck (P_) - Krümmer 45 im Block 47 vorgesehen, um abdichtend zu den gleichen Lei-

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tungen zu passen und diese zu ergänzen, die teilweise in Fig. 3 gezeigt sind.

Nicht gezeigte elektrische Leiter können für die notwendigen Stromkreisverbindungen der Ventile und Stellungsrückkopplungswandler vorgesehen werden, wie das in der Technik klar ist.

Daher illustriert die Anordnung nach Fig. 3 und U wirksame Mittel zum Ergänzen der schematischen Anordnung nach Fig. 2.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als ein hydraulischer Motor im Zusammenwirken mit Dreiwege-Ventilen dargestellt wurde, ist der Gedanke der Erfindung nicht so beschränkt und umfaßt die wahlweise Verwendung von Vierwege-Ventilen, wie in der Technik klar ist. Weiterhin und obwohl die dargestellte Ausführungsform eine besondere Ax't von Ventil mit einer Ventilspule, die von einem einzigen Klappenventil gesteuert wild, verwendet, können anders Arten von Servoventilen mit einer Vielzahl von Klappenelementen in Zusammenarbeit mit der Ventilspule verwendet werden, ohne daß dadurch der Gedanke der Erfindung vex^lassen wird.

Demgemäß wurde vorstehend eine verbesserte elektrohydraulisch«» Betätigungseinrichtung mit erhöhter Zuverlässigkeit fe@scli?iGbon._: «lie von hohem Wirkungsgrad, wirtschaftlich

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und von beschränktem Gewicht und Volumen ist. Solche Ersparnisse unter Erzielung verbesserter Zuverlässigkeit werden erreicht durch die Benutzung von Strömungskombinierungsmitteln in Kombination mit einem einzigen hydraulischen Motor.

Obwohl die Erfindung im einzelnen dargestellt und beschrieben wurde, ist doch klar, daß dies nur als Illustration und beispielsweise geschehen ist und nicht als Beschränkung, da Geist und Umfang der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche begrenzt sind.

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Claims

P a tentansprüch'e ;

1. Elektrohydraulisches Servostellsystem mit einer Eingangs steuerklemme, einer Vielzahl in Kaskade geschalteten Betätigungskanälen, einem mechanischen Ausgangsteil j der mittels einer Betätigungsvorrichtung an-• sprechend auf ein Strömungsmedium betrieben ist, und mit einer Rückkopplungsanordnung zum Regeln der durch jeden Betätigungskanal fliessenden Menge des Strömungsmediums, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Betätigungsvorrichtung aus einem einzigen zum Betreiben des Ausgangsteils, ansprechend auf die Anwendung eines gesteuerten Flüssigkeitsstromes, angeordneten hydraulischen Motor besteht und daß wenigstens drei Betätigungskanäle vorgesehen sind, von denen jeder einen Stellungsabtaster einschließt, der gemeinsam mit dem genannten Motor zusammenwirkt, um Signale zu erzeugen, die die angetriebene Stellung des Ausgangsteils mit bezug auf den Motor anzeigen, daß ein Summierverstärker vorgesehen ist, dessen erste Eingangsklemme gemeinsam ununterbrochen mit der genannten Eingangsklemme verbunden ist und von dem eine zweite Eingangsklemme ununterbrochen mit dem Ausgang des Stellungsabtasters

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für diesen Kanal verbunden ist, und daß ein Proportionalströmungssteuerventil vorhanden ist, das ständig ansprechend in elektrischer Schaltung mit dem Ausgang des Summierverstärkers für diesen Kanal verbunden ist, wobei das System weiterhin gekennzeichnet ist durch einen Krümmerblock, der die drei Steuerventile befestigt und gemeinsam entsprechende öffnungen der Steuerventile im Flüssigkeitskreis verbindet, um den genannten Hydraulikmotor in Obereinstimmung mit dem kombinierten Flüssigkeitsstrom von den Ventilen proportional zu steuern, wobei der Krümmerblock eine Klemmenseite hat, die dichtend an ein Haupt,gehäuse des Motors stößt und Hohlräume zum dichtenden Installieren der Ventile in wechselseitig getrennter¹ Pa*- rallelbeziehung und Seite an Seite, wobei entsprechende öffnungen der Ventile in einer gemeinsamen Querschnittebene des Krümmerblockes liegen, wobei der genannte Block eine ringförmige Nut in jedem Hohlraum an jeder Seite der Querschnittebenen und radial darin vor- den Nuten verlaufende Durchgänge hat, wobei die Durchgänge in einer gegebenen Quersc friittebene an einem Schnittpunkt einer Reihe von Durchgängen e:.den, um eine Flüsszgkeiteverbindung zwischen den Nuten der genannten Ebene zu ermöglichen, wobei der Block weiterhin eine gleiche Anzahl von getrennten öffnungen hat, die in der K^enuneifseite des Blockes liegen und sich

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senkrecht zu dieser Seite erstrecken, wobei jede öffnung an einem Schnittpunkt mit ein«m der sich gegenseitig anschliessenden, sich schneidenden Durchgänge der genannten Reihen endet.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor einen einzigen Zylinder aufweist, der mit einem Träger verbunden werden kann, daß ein einziger bewegbarer Kolben in dem Zylinder angeordnet und mit dem genannten Ausgangsteil verbunden ist, der sich axial von der ersten Seite des genannten Kolbens erstreckt, wobei der Kolben erste und zweite Kammern in dem Zylinder auf der ersten Seite und auf einer zweiten Seite des Kolbens schafft, wobei die wirksame hydraulische Fläche der ersten Seite eine Hälfte der Fläche der zweiten Seite ist, wobei jedes Steuerventil aus einem elektrohydraulischen Dreiwege-Übertragungsventil besteht, das eine druckbeaufschlagte Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung mit gesteuertem Fluß aufweist, und wobei der Krümmerblock gemeinsam die entsprechenden Eingangs- und Ausgangsöffnungen der Ventile im Flüssigkeitsstromkreislauf mit der ersten und zweiten Kammer entsprechend verbindet, und wobei die genannte erste Kammer und die Eingangsdrucköffnungen gemeinsam mit einer Druckflüssigkeitsquelle verbunden

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werden können.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß die Abtaster linear bewegte Wandler einschliessen, von denen jeder auf Relativbewegungen zwischen dem Kolben und dem Zylinder anspricht, um negative Rückkopplungssignale zu erzeugen.

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